Morpho butterfly shows metallic and shimmering blue. This blue comes from multilayered ridges on scales of wings of Morpho butterfly, so Morpho blue is structural color generated from their photonic nanostructure. Structural color generally depends on viewing angle, but Morpho blue still shows stable blue against viewing angle change. This unusual characteristic comes from order and disorder nanostructures of Morpho butterflies, and especially random arrangement in multilayered ridges is mainly related to angle-independent property. By the way, strictly speaking, less changed structural color is more correct expression to describe Morpho blue than angle-independent or stable structural color. In this thesis, main subject is repro-ducing structural color of Morpho butterfly. Meanwhile, material is also important to consider quality of structural color, so material effects are calculated by using refractive index. As a result, chitin and air of Morpho butterfly can makes structural color with high color purity and stable color with low angle independence. Unfortunately, chitin and air can’t be used in fabrication process, so Cr for absorption and TiO2 / SiO2 two dielectric materials are used in this thesis. In order to generate randomness in structure, particularly in height of multilayer, silica spheres of various sizes are distributed in monolayer, and then thin film is deposited on the silica spheres. Additionally, it is proven that the effect of silica spheres of various sizes is related to angle-independent structural color. Optical performance is evaluated after fabrication, and then the fabricated film shows better color purity and color stability compared to real Morpho butterflies. The measured results are discussed on color space again, and it is found that resolution of human eyes is also related to constant structural color of Morpho butterfly, because too small variation can’t be distinguishable. These fabricated films can be detached by polymer encapsulation, because film stress can separate silica spheres from Si substrate and then polymer can penetrate the gap. The detached film becomes flexible by polymer, so the fabricated film can be angle-independent, flexible color reflector. This reflector can be used in various fields related to color, such as reflective display, but inverse proportional relationship between color purity and brightness of structural color should be considered. In conclusion, purpose of this thesis is not copying structure of Morpho butterfly. The results of this thesis are inspired by order and disorder photonic nanostructure of Morpho butterfly, and finally the results surpass original characteristic of nature, so beyond mimicry.
몰포 나비의 색은 금속성의 밝은 파란색인데 이는 몰포나비의 광 구조에서 생성된 구조색이다. 그런데 일반적인 구조색과는 달리 시야각이 변함에도 거의 색에 변화가 없는 특징이 있다. 이러한 독특한 특징에 주목하여 몰포 나비의 규칙성과 불규칙성이 공존하는 복잡한 나노 광 구조에 대한 많은 연구가 진행되었고 멀티레이어가 임의로 배열되어 있기 때문에 시야각에 덜 의존하는 구조색이 생성된다고 밝혀졌다. 본 학위 논문에서는 이 점에 주목하여 시야각의 변화에도 색의 변화가 적은 몰포 나비의 구조색을 생체모방하는 연구를 진행하였다. 한편 구조를 구성하고 있는 물질 자체도 구조색의 품질에 영향을 준다. 그래서 물질의 굴절률을 토대로 계산을 한 결과 몰포 나비의 키틴과 공기 조합이 높은 순도와 더불어 시야각에 덜 의존하는 구조색을 만드는데 장점이 있다는 사실을 알아내었다. 하지만 본 학위 논문의 실험에서는 키틴과 공기를 쓸 수 없기 때문에 흡수층 역할을 할 Cr 금속과 TiO2와 SiO2 투명한 두 유전체 물질을 박막 물질로 대신 사용하였다. 구조적으로는 몰포나비의 구조에서 영감을 얻어서 서로 다른 크기의 유리 구슬을 배열하여 높이 차이를 만들고 박막을 증착하였다. 여기서 서로 다른 크기의 유리 구슬을 쓰면 명백히 시야각 특성을 재현해 낼 수 있음도 따로 확인하였다. 광학 측정을 한 결과 색의 순도 및 시야각에 덜 의존하는 특성까지 모두 몰포나비보다 더 좋은 결과의 박막을 제작하였음을 확인하였다. 그리고 색 공간에서 분석해본 결과 우리 눈이 색을 잘 구분하지 못하는 점도 몰포나비의 색이 일정하게 보이는 한 요소라는 것을 확인하였다. 어쨌든 제작한 박막은 스트레스로 인해 박막 일부가 기판에서 떨어지게 되는데 그 틈으로 폴리머를 넣으면 폴리머 안에 박막이 들어가게 되어 최종적으로는 자유자재로 구부릴 수 있는 색 필터를 만들 수 있게 된다. 이러한 색 필터는 추후 반사형 디스플레이 같은 색 관련 산업에서 유용하게 쓰일 수 있을 것이나 실제 응용을 위해서는 구조색에서 밝기와 색의 순도간의 역비례 관계를 항상 생각해야 할 것이다. 정리하자면 본 학위 논문의 연구 결과는 단순히 몰포 나비의 구조색 특성을 생체모방하기 위해 똑같이 만드는데 집중한 것이 아니라, 규칙성과 불규칙성이 공존하는 나노 구조에서 영감을 받아 단순히 모방에 그치지 않고 자연 본래의 특성을 뛰어넘은 점에서 의미가 있다.